Funktionsprinzip und Hauptkomponenten der TRF-Filtration
Funktionsprinzip
Das einfache Grundprinzip der patentierten TRF-Filtration besteht aus einem Rührbehälter,auf dessen Rührkörper Filtermembrane befestigt sind. Mit dieser Funktion wird das Hauptproblem der Membranfiltration von Flüssigkeiten verhindert, nämlich die Bildung von Deckschichten auf der Membranoberfläche und die dadurch verursachte Reduzierung und Verblockung der Membranporen.
Diese Deckschichten entstehen zumeist durch Agglomeration der an den Membranporen abgetrennten Moleküle und deren Aufkonzentration im Bereich der Membranoberfläche. Dieser Effekt lässt sich im Sinne eines kontinuierlichen Filtrationsprozesses nur dadurch verhindern, dass
- es zu einem Austausch der unterschiedlichen Konzentrationslevels zwischen Membranoberfläche und der übrigen Flüssigkeit kommt, und dass
- auf der Membranoberfläche Scherkräfte entwickelt werden, die eine laufende mechanische Abreinigung bewirken
Diese Wirkung an der Membranoberfläche wird am effektivsten über eine hochturbulente Querströmung erreicht.
Grundsätzlich werden in Rührbehältern wesentlich höhere Scherraten und Turbulenzen unter wesentlich geringerem Aufwand erreicht, als das bei der linearen Durchströmung eines Behälters oder eines Rohrs möglich ist. In der TRF-Filtration werden nun die im Rühr/Filterbehälter produzierten vielfältigen Strömungsrichtungen auf der Membranoberfläche zur kontinuierlichen Filtration unter günstigen betriebswirtschaftlichen Bedingungen genutzt. Der Blick auf diese einfachen physikalischen Prinzipien macht den Vorteil der TRF-Filtration gegenüber vorwiegend linear überströmenden konventionellen Querstrom-(„Crossflow“) Membransystemen, wie Rohrmodulen oder Scheibenfiltern deutlich.
| Abb.1: Lineare Querströmung | Abb.2: Multidirektionale Strömungen im TRF-Filterbehälter |
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Hauptkomponenten und Verfahrensablauf der TRF-Filtration
Hauptkomponenten
Das Kernstück der TRF-Filtration ist ein abgeschlossener Filterbehälter. In diesem werden ein oder mehrere rotierende Drehkränze von Motoren angetrieben. Der Rotor und dessen Rotorantrieb sind in innovativer, patentierter Form gestaltet. Die filtrierten Flüssigkeiten können im Rotor gesammelt und über Rotorspeichen, Rotornabe und die Innenbohrung der Welle des Rotorantriebs aus dem Innenraum des Filterbehälters abgeführt werden, ohne sich mit der unfiltrierten Flüssigkeit im Behälter zu vermischen. Auf dem Sammelrotor sind Filtermodule über Schraubgewinde fest montiert und selbst gegen hohe Drücke im Rührbehälter abgedichtet. Die Filtermodule bestehen aus stabilen Planarwellen aus Edelstahl, auf denen Filterscheiben übereinander geführt und mittels Distanzhülsen getrennt und abgedichtet werden. Die Filterscheibe besteht zumeist aus einer Trägerscheibe, deren Oberflächen oben und unten eine drainagierende Struktur aufweisen, über die das gereinigte Filtrat/Permeat zur Scheibenmitte hin ablaufen kann. Auf dieser Trägerscheibe werden beiderseits Flachmembran-Scheiben mittels einer Kunststoffumrandung befestigt und hermetisch abgeschlossen.
| Abb.3: Rotor und Filtermodule | Abb.4: Antriebseinheit |
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Verfahrensablauf
Im Filtrationsbetrieb wird zunächst der Filterbehälter mit der zu filtrierenden Flüssigkeit über eine Zuführpumpe, die einen druckabhängigen Leistungsverlauf aufweist, befüllt. Danach wird das Entlüftungsventil geschlossen, der Rotor verzögert zugeschaltet. Die Drehzahl des Antriebsmotors wird über Frequenzumwandler gesteuert und die Rotorgeschwindigkeit an die Eigenschaften von Membranen und Flüssigkeit angepasst. Im Zusammenspiel von rotierenden Filtermodulen, Strömungsbrechern und sonstigen Gestaltungsmerkmalen der TRF-Filtration entsteht nun im Innenraum des Rühr/Filterbehälters durch Zusammenspiel einer Unzahl von Strömungsrichtungen und Pulsationsfrequenzen eine hochturbulente Situation. Diese erreicht selbst bei höherviskosen Medien den notwendigen Konzentrationsaustausch durch Turbulenz auf den Membranoberflächen und die für die Abreinigung notwendigen Scherkräfte. Und dies unter deutlich reduziertem Energieaufwand.
Der Filtratfluss im TRF-Filterbehälter erfolgt durch die Membranen ins Innere der Filterscheiben, von dort über Planarwellen, Sammelrotor, dessen Speichen und Nabe zur Innenbohrung der Antriebswelle und von dort nach aussen. Ausserhalb des Filterbehälters wird die Filtrat/Permeatleitung über einen Durchflussmesser abgeleitet.
Die Suspension im Filterbehälter konzentriert sich stetig auf, da das Filtrat/Permeat kon-tinuierlich durch die Membranen abfliesst und dem Druckabfall entsprechend neues Feed zugeführt wird. Im Batchbetrieb kann diese Art der Aufkonzentrierung so lange fortgesetzt werden, bis die Viskosität der Lösung durch Anstieg des Feststoffgehaltes einen Maximalwert erreicht hat bis zu dem die Durchflussmenge noch wirtschaftlich ist. Das Suspensionskonzentrat wird dann über die Konzentratableitung am Boden des Behälters entleert. Im kontinuierlichen Betrieb wird das Konzentratventil zur kontrollierten Ableitung einer Teilmenge der Filtrat/Permeatleistung dauernd oder in bestimmten Zeiträumen geöffnet.
| Abb.5: TRF-Filtermodule | Abb.6: Aufbau der TRF-Filterscheibe |
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Abb.7: TRF-Filterscheibe und Distanzring |
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